VENTILATOR MIT VENTILATORRAD UND LEITRAD

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Ventilator mit einem Ventilatorschaufeln (3) aufweisenden Ventilatorrad (2), das sich um eine Rotationsachse des Ventilators (1) nach radial außen erstreckt und dessen radialer Außenumfang einen Ventilatorraddurchmesser (Dv) bestimmt, und einem in axialer Strömungsrichtung zu dem Ventilatorrad (1) in einem Abstand (A) angeordneten Leitrad (4) mit Luftleitstegen (5), das sich nach radial außen erstreckt und einen Leitraddurchmesser (Dl) aufweist, der geringer ist als der Ventilatorraddurchmesser (Dv), so dass das Leitrad (4) eine Teilquerschnittfläche einer Ventilatorradquerschnittsfläche bestimmt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Ventilator mit einem Ventilatorrad und einem Leitrad.

[0002] Die Verwendung von Leiträdern bei Ventilatoren ist aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 10 2012 109 542 A1 einen Axiallüfter mit einem als Strömungsgleichrichter ausgebildeten Leitrad, das im technischen Fachgebiet auch als Nachleitrad bezeichnet wird.

[0003] Bei den bekannten Leiträdern ist man davon ausgegangen, dass sie ihre größte strömungstechnische und geräuschreduzierende Wirkung in einem radial äußeren Bereich von Ventilatoren bzw. Ventilatorrädern gewährleisten, da in diesem Bereich die Geschwindigkeit der von dem Ventilator erzeugten Luftströmung maximal ist. Das Leitrad soll die Strömung vergleichmäßigen und eine sich negativ auf den Wirkungsgrad und das Geräuschverhalten auswirkende Rückströmung zum Ventilatorrad verhindern. Die bekannte Lösung des oben genannten Stands funktioniert in der Praxis gut, kann jedoch noch weiter verbessert werden, um weitere positive Aspekte bezüglich des benötigen axialen Bauraums, des Strömungsverlaufs und des Geräuschverhaltens zu erzielen.

[0004] Eine Aufgabe der Erfindung ist deshalb, einen Ventilator mit Lachleitrad bereit zu stellen, der eine kompakte axiale Bauweise bei gleichzeitig verbessernder Strömungscharaktereristik ermöglicht.

[0005] Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

[0006] Erfindungsgemäß wird ein Ventilator mit einem Ventilatorschaufeln aufweisenden Ventilatorrad vorgeschlagen, das sich um eine Rotationsachse des Ventilators nach radial außen erstreckt und dessen radialer Außenumfang einen Ventilatorraddurchmesser bestimmt. Der Ventilator umfasst zudem ein in axialer Strömungsrichtung zu dem Ventilatorrad in einem Abstand angeordnetes Leitrad mit Luftleitstegen, das sich ebenfalls nach radial außen erstreckt und einen Leitraddurchmesser aufweist, der geringer ist als der Ventilatorraddurchmesser, so dass das Leitrad eine Teilquerschnittfläche einer Ventilatorradquerschnittsfläche bestimmt.

[0007] Durch das gegenüber dem Ventilatorrad im Durchmesser kleinere Leitrad ist es möglich, den Abstand zwischen dem Ventilatorrad und dem Leitrad zu reduzieren, d.h. das Leitrad in Strömungsrichtung näher an das Ventilatorrad zu positionieren. Dies reduziert zum einen die Baugröße des Ventilators in axialer Strömungsrichtung, zum anderen verbessert sich sein Geräuschverhalten. Die grundsätzlich bekannte Wirkung der Vergleichmäßigung der Strömung und Verhinderung der Rückströmung bleiben ohnedies erhalten.

[0008] Zudem kann das Leitrad aufgrund des geringen Bauraumbedarfs als nachrüstbares Teil an bestehende Ventilatoren montiert werden.

[0009] Ein weiterer vorteilhafter Aspekt des im Durchmesser gegenüber dem Ventilatorrad reduzierten Leitrads liegt darin, dass die Druckdifferenz über den kleineren Querschnitt des Leitrads geringer ist, so dass die Vereisungsgefahr bei einer Anwendung in der Kältetechnik reduziert wird.

[0010] In einer vorteilhaften Ausführung des Ventilators ist vorgesehen, dass das Ventilatorrad eine Ventilatorradnabe und einen sich in radialer Richtung an die Ventilatorradnabe bis zum Außenumfang des Ventilatorrades anschließenden durchströmbaren Schaufelabschnitt aufweist. Zudem umfasst das Leitrad eine Leitradnabe und einen sich in radialer Richtung an die Leitradnabe bis zum Außenumfang des Leitrades anschließenden Leitabschnitt. Dabei ist vorteilhaft, wenn das Durchmesserverhältnis des Leitabschnitts zum Schaufelabschnitt in einem Bereich von 0,1 bis 0,8, weiter bevorzugt in einem Bereich von 0,2 bis 0,5 liegt. Als Leitradnabe muss kein eigenes Bauteil vorgesehen werden, vielmehr kann die Leitradnabe auch durch Elemente anderer Bauteile, beispielsweise ein Motorgehäuse ausgebildet werden.

[0011] In einer Weiterbildung wird das Leitrad in axialer Strömungsrichtung mit einer Breite ausgebildet, die 0,01 bis 0,2 (d.h. 1% - 20%) des Ventilatorraddurchmessers, weiter bevorzugt 0,02 bis 0,1 (d.h. 2% - 10%) des Ventilatorraddurchmessers entspricht. Das bedeutet, dass die Bezugsgröße zur Anpassung der Breite des Leitrads der Ventilatorraddurchmesser ist.

[0012] Die geometrische Ausbildung des Leitrads hat unmittelbare strömungstechnische Auswirkungen, wobei die vorstehend beschriebenen Dimensionierungen sowohl einzeln als auch kumulativ dazu führen, dass die turbulenten Anteile und die radiale Komponente im radialen Innenbereich der von dem Ventilator erzeugten Luftströmung verringert werden. Der Ausströmungswinkel in der Meridianebene nähert sich im Wesentlichen dem optimalen Wert Null an, so dass die üblicherweise im Naben- bzw. radialen Innenbereich auftretende Rückströmung entgegen der erzeugten Strömungsrichtung beseitigt wird.

[0013] Die positive Wirkung des Leitrads und die kompakte Bauweise werden ferner dadurch gefördert, dass der minimale Abstand in axialer Strömungsrichtung zwischen dem Ventilatorrad und dem Leitrad in einem Bereich von 0,01 und 0,2, weiter bevorzugt in einem Bereich von 0,01 und 0,05 des Ventilatorraddurchmessers liegt.

[0014] Strömungstechnisch günstig ist zudem eine Ausführungsvariante, bei der das Leitrad an seinem radialen Außenumfang einen Außenumfangsring aufweist. Der Außenumfangsring ist vorzugsweise dünnwandig ausgebildet und weist eine radiale Dicke auf, die 0,002 bis 0,015 des Ventilatorraddurchmessers entspricht.

[0015] Ferner ist vorteilhaft, wenn der Außenumfangsring vollständig um das Leitrad umlaufend ausgebildet ist und im Axialschnitt einen nichteckigen Querschnitt aufweist. Neben einem strömungstechnischen Einfluss begünstigt der Außenumfangsring dann zudem eine Steifigkeitserhöhung des Leitrads.

[0016] In einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgesehen, dass der Außenumfangsring gegenüber der Rotationsachse in einem Winkel β von 5 - 25°, weiter bevorzugt von 5 - 10° angestellt in axialer Strömungsrichtung nach radial außen verläuft.

[0017] Eine weitere Ausführungsvariante des Ventilator ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leitradnabe gegenüber der Rotationsachse in einem Winkel α von bis zu 60° angestellt in axialer Strömungsrichtung nach radial außen verläuft, d.h. die Leitradnabe ist in Strömungsrichtung kegelförmig ausgebildet.

[0018] Alternativ zur Leitradnabe kann in einer alternative Lösung vorgesehen werden, dass das Leitrad in radialer an die Leitradnabe angrenzend einen Innenring aufweist, der zur Rotationsachse in einem Winkel α von bis zu 60° angestellt in axialer Strömungsrichtung, vorzugsweise über die gesamte Breite des Leitrads, nach radial außen verläuft. Das Anstellen der Leitradnabe bzw. des sich an die Leitradnabe angrenzenden Innenrings führt die von dem Ventilatorrad erzeugte Luftströmung im radialen Innenbereich in Richtung nach radial außen von der Rotationsachse des Ventilators weg.

[0019] Als vorteilhaft hat sich zudem eine Ausgestaltung erwiesen, bei der der Winkel α größer als der Winkel β ist.

[0020] Strömungstechnisch ist weiterhin eine Ausführung günstig, bei der die Leitradnabe oder der Innenring mit dem Außenumfangsring eine Düse mit sich in Strömungsrichtung verringerndem Durchströmungsquerschnitt bildet.

[0021] Die Ausführung der Luftleitstege des Leitrads erfolgt vorzugsweise in einer Weise gemäß der Offenbarung der DE102012109542A1. Der diesbezügliche Offenbarungsgehalt wird Bestandteil der vorliegenden Offenbarung. Weitere für den Ventilator standardmäßig vorzusehende Bauteile wie z.B. ein Motor und eine Antriebswelle sind ebenfalls umfasst, auch wenn sie nicht ausdrücklich beschrieben werden. Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1

eine schematische hälftig geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ventilators;

Fig. 2

eine schematische hälftig geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ventilators in einer weiteren Ausführungsvariante,

Fig. 3

eine schematische hälftig geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ventilators in einer weiteren Ausführungsvariante,

Fig. 4

ein Diagramm mit Kurvenverläufen des Ventilators gemäß Fig. 1 und dem Stand der Technik ohne Leitrad.

[0022] Gleiche Bezugszeichen benennen gleich Teile in allen Ansichten. Alle Figuren sind rein schematisch und dienen dem Verständnis der Erfindung.

[0023] In Figur 1 ist im Axialschnitt die obere Hälfte eines als (Axial-)Ventilators 1 mit einem sich um die Rotationsachse RA des Ventilators 1 nach radial außen erstreckenden Ventilatorrad 2 sowie einem in axialer Strömungsrichtung in einem sehr geringen Abstand A zu dem Ventilatorrad 2 angeordneten Leitrad 4 gezeigt, wobei der Abstand A einem Wert von 0,02 des Ventilatorraddurchmessers Dv entspricht. Die untere, nicht gezeigte Hälfte des Ventilators 1 ist spiegelsymmetrisch ausgebildet. Das Ventilatorrad 2 weist mehrere in Umfangsrichtung zueinander beabstandet angeordnete Ventilatorschaufeln 3 auf, die sich jeweils von der Ventilatorradnabe 12 radial nach außen erstrecken und dabei ihre axiale Breite vergrößern. Für alle Ausführungsbeispiele sind auch alternative, aus der Technik bekannte Formen der Ventilatorschaufeln einsetzbar. Das radial äußere freie Ende der Ventilatorradschaufeln 3 bestimmt den Außenumfang und mithin den Ventilatorraddurchmessers Dv. Zudem ist ein einen Strömungskanal ausbildendes Gehäuseteil 30 angedeutet, in den der Ventilator 1 mit einem Spaltabstand 31 zwischen Ventilatorschaufeln 3 und Innenwand des Gehäuseteils 30 eingesetzt ist. Das Gehäuseteil 30 kann ein externes Bauteil oder in den Ventilator integriert sein.

[0024] Das Leitrad 4 umfasst eine Vielzahl von in axialer Richtung durch das Leitrad verlaufende Luftleitstege 5 und erstreckt sich von der Leitradnabe 13 nach radial außen bis zum Außenumfangsring 11. Der maximale Leitraddurchmesser DI ist geringer ist als der Ventilatorraddurchmesser Dv. Da das Leitrad 4 und das Ventilatorrad 2 sich in Strömungsrichtung überdeckend angeordnet sind, bestimmt das Leitrad 4 eine durchströmbare Teilquerschnittfläche der durchströmbaren Ventilatorradquerschnittsfläche. Die durchströmbaren Querschnittsflächen werden durch den sich von der Ventilatorradnabe 12 nach radial außen erstreckenden Schaufelabschnitt 8 und den sich von der Leitradnabe 13 nach radial außen erstreckenden Leitabschnitt 9 gebildet, wobei das Durchmesserverhältnis des Leitabschnitts 9 zum Schaufelabschnitt 8 in der gezeigten Ausführung bei 0,4 liegt. Der radial äußere Teil des Schaufelabschnitts 8 ist von dem Leitrad 4 nicht überdeckt, so dass die von dem Ventilatorrad 2 erzeugte Strömung teilweise zunächst durch das Leitrad 4, teilweise unmittelbar nach axial außen gelangt.

[0025] Der Außenumfangsring 11 verläuft parallel zur Rotationsachse RA im Wesentlichen über die gesamte Breite B des Leitrads 4 und ist als dünnwandiger umlaufender Ring ausgebildet, dessen Dicke einem Wert von 0,01 des Ventilatorraddurchmessers Dv entspricht. Die Breite B des Leitrads 4 entspricht einem Wert von 0,065 des Ventilatorraddurchmessers Dv. Die Ventilatorradnabe 12 und die Leitradnabe 13 weisen denselben Nabendurchmesser Dn auf.

[0026] Die Ausführung gemäß Fig. 2 ist zu derjenigen in Figur 1 bis auf die Ausbildung des Leitrads identisch, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die zu Figur 1 beschriebenen Merkmale Bezug genommen wird. Das Leitrad 4 der Ausführung gemäß Figur 3 umfasst zusätzlich einen Innenring 7, der einen gegenüber der Rotationsachse RA im Winkel α von 40° angestellten Abschnitt aufweist und in axialer Strömungsrichtung über die gesamte Breite B des Leitrads 4 schräg nach radial außen verläuft. Im gezeigten Axialschnitt weist der Innenring 7 einen V-förmigen Querschnitt mit einem an die Leitradnabe 13 angreifenden Schenkel und einem den angestellten Abschnitt bildenden Schenkel auf. Der Innenring 7 verhindert effektiv eine axiale Rückströmung von Luft in Richtung des Ventilatorrades 2 im radial innen liegenden, an die Naben 12, 13 angrenzenden Bereich.

[0027] Die Ausführung gemäß Fig. 3 ist identisch zu derjenigen in Figur 2 bis auf, dass der Außenumfangsring 11 abgewandelt ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb auf die Offenbarung zu den Figuren 1 und 2 Bezug genommen. Gemäß Figur 3 ist der Außenumfangsring 11 gegenüber der Rotationsachse RA in einem Winkel β=10° angestellt und verläuft in axialer Strömungsrichtung nach radial außen. Das Leitrad 4 bildet somit durch den Innenring 7 und den Außenumfangsring 11 eine Düse mit sich in Strömungsrichtung verringerndem Durchströmungsquerschnitt. Aufgrund der Schrägstellung des Außenumfangsrings 11 vergrößert sich der maximale Leitradquerschnitt um die Länge der Gegenkathete des Winkels β.

[0028] In Figur 4 ist ein Diagramm mit Kennlinien zum Druckverlauf psf [Pa] und dem Wirkungsgrad nse [%] bei unterschiedlichen Volumenströmen qv [m³/h] des Ventilators 1 gemäß Fig. 1 und desselben Ventilators ohne Leitrad 4 dargestellt, wobei die durchgezogenen Kennlinien jeweils den Ventilator 1 gemäß Figur 1 und die gestrichelten Kennlinien jeweils den Ventilator ohne Leitrad kennzeichnen. Die vorteilhafte Wirkung mit erhöhtem Spitzwirkungsgrad bei einem Volumenstrom von ca. 1100 m³/h und höherem Druck bis ca. 1300 m³/h, d.h. im hochrelevanten Betriebsbereich, ist eindeutig zu entnehmen.

Ansprüche

1. Ventilator mit einem Ventilatorschaufeln (3) aufweisenden Ventilatorrad (2), das sich um eine Rotationsachse des Ventilators (1) nach radial außen erstreckt und dessen radialer Außenumfang einen Ventilatorraddurchmesser (Dv) bestimmt, und einem in axialer Strömungsrichtung zu dem Ventilatorrad (1) in einem Abstand (A) angeordneten Leitrad (4) mit Luftleitstegen (5), das sich nach radial außen erstreckt und einen Leitraddurchmesser (DI) aufweist, der geringer ist als der Ventilatorraddurchmesser (Dv), so dass das Leitrad (4) eine Teilquerschnittfläche einer Ventilatorradquerschnittsfläche bestimmt.

2. Ventilator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilatorrad (2) eine Ventilatorradnabe (12) und einen sich in radialer Richtung an die Ventilatorradnabe (12) bis zum Außenumfang des Ventilatorrades (2) anschließenden Schaufelabschnitt (8) aufweist, und das Leitrad (4) eine Leitradnabe (13) und einen sich in radialer Richtung an die Leitradnabe (13) bis zum Außenumfang des Leitrades (4) anschließenden Leitabschnitt (9) aufweist, wobei ein Durchmesserverhältnis des Leitabschnitts (9) zum Schaufelabschnitt (8) in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 liegt.

3. Ventilator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchmesserverhältnis des Leitabschnitts (9) zum Schaufelabschnitt (8) in einem Bereich von 0,2 bis 0,5 liegt.

4. Ventilator nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrad (4) in axialer Strömungsrichtung eine Breite (B) aufweist, die 0,01 bis 0,2 des Ventilatorraddurchmessers (Dv) entspricht.

5. Ventilator nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das das Leitrad (4) in axialer Strömungsrichtung eine Breite (B) aufweist, die in einem Bereich von 0,02 bis 0,1 des Ventilatorraddurchmessers (Dv) liegt.

6. Ventilator nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) in axialer Strömungsrichtung zwischen dem Ventilatorrad (2) und dem Leitrad (4) in einem Bereich von 0,01 und 0,2, vorzugsweise in einem Bereich von 0,01 und 0,05 des Ventilatorraddurchmessers (Dv) liegt.

7. Ventilator nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrad (4) an seinem radialen Außenumfang einen Außenumfangsring (11) aufweist.

8. Ventilator nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfangsring (11) eine radiale Dicke aufweist, die 0,002 bis 0,015 des Ventilatorraddurchmessers (Dv) entspricht.

9. Ventilator nach einem der vorigen beiden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfangsring (11) vollständig um das Leitrad (4) umlaufend ausgebildet ist und im Axialschnitt einen nichteckigen Querschnitt aufweist.

10. Ventilator nach einem der vorigen Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfangsring (11) gegenüber der Rotationsachse in einem Winkel β von 5 - 25° angestellt in axialer Strömungsrichtung nach radial außen verläuft.

11. Ventilator nach einem der vorigen Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfangsring (11) gegenüber der Rotationsachse in einem Winkel β von 5 - 10° angestellt in axialer Strömungsrichtung nach radial außen verläuft.

12. Ventilator nach einem der vorigen Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitradnabe (13) gegenüber der Rotationsachse in einem Winkel α von bis zu 60° angestellt in axialer Strömungsrichtung nach radial außen verläuft.

13. Ventilator nach einem der vorigen Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrad (4) in radialer Richtung an die Leitradnabe (13) angrenzend einen Innenring (7) aufweist, der zur Rotationsachse in einem Winkel α von 0 - 60° angestellt in axialer Strömungsrichtung über die gesamte Breite (B) des Leitrads (4) nach radial außen verläuft.

14. Ventilator nach einem der vorigen Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α größer als der Winkel β ist.

15. Ventilator nach einem der vorigen Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitradnabe (13) mit dem Außenumfangsring (11) eine Düse mit sich in Strömungsrichtung verringerndem Durchströmungsquerschnitt bildet.

Zeichnung